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微波的生物學效應

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1 微波的生物學效應 -微波的生物學效應

 

2 微波的生物學效應 -正文

  微波單獨作用於生物體后所發生的現象、機制和對生命活動的影響。微波是高頻電磁波,通常指頻率為3×102~3×105兆赫(即波長1米~1毫米)的電磁波。同無線電波相比,微波波長更短,穿透力較弱易被介質吸收,所以具有較好的反射、折射、散射特性和聚焦能力,可形成帶寬極狹的束射波源。微波量子能量為10-6~10-4電子伏特,是一種與X射線、α射線、γ射線等高能輻射不同的低能輻射。
  微波從40年代開始在雷達、通信等信息技術中得到開發和應用。進入60年代,微波作為一種能量形態在動力領域廣泛採用。與此同時,漏能和超量接觸給生物和人體帶來不良影響的事件日趨增多。因而導致對微波生物效應的日益深入的研究。這種研究最早可追溯到第二次世界大戰時期。直到60年代中期以前,研究重點是微波損傷的情況、原因及閾值的測定;同時,制訂了相應的安全標準。理論上則只強調微波對生物的傷害作用是微波致熱效應的結果。60年代中期后,微波能技術在工業、醫學和民用範圍進一步推廣。在承認微波熱效應的前提下,針對還存在一些沒有明顯溫升而造成顯著損害癥狀的現象,作出了「熱效應」和「非熱效應」都有的結論。微波生物效應的作用機制還未能達到徹底認識的程度。微波與活系統作用的過程大體如下:①微波輻射穿透生物對象表面並在介質內部傳播;②生命物質吸收微波電場能量,產生原發性反應,主要指電場對介質的加熱效應;③由原發效應引起的繼發性反應──生物效應。包括機體的生理變化和生化變化。各頻段微波輻射的生物效應大體一致,只是活性隨頻率增加而遞增。微波生物效應的程度,取決于波源的形式、頻率、功率密度(或電場強度)和受照射物體的幾何形狀、面積大小、組織成分及功能特徵等,即取決於微波輻射能量的高低和生物介質實際吸收能量的多少。
  微波電場的加熱效應  微波生物學作用的物理基礎是加熱效應,介質吸收電場能量轉變為主物分子的動能,使組織溫升。這種加熱過程的主要貢獻來自介電場的功率損耗,即介質中帶電偶極子隨交變電場往複極化和取向,當場頻變換超過其弛豫周期,則相應偶極子不能同步轉動而與周圍其他粒子和分子發生碰撞,因而做功、產熱。介質中的水分子、蛋白分子和其他生物大分子就是這種偶極子。系統的其他產熱機構,如電阻耗損和形變極化的貢獻相對較小。生物對象為非均一多相系統,各器官、組織、細胞和分子的電參量特性極不相同,因而吸收電場能量的水平也不一致。因此,微波加熱作用具有明顯的選擇特性,在一些部位產熱大、溫升快,在另一些部位產熱小、溫升慢。這種性質對於臨床治療和工農業生產應用有實際意義。目前,利用微波的局部熱效應加強電離輻照對腫瘤的療效,常用的過熱作用就是利用腫瘤組織熱效應與正常組織有別因而效果是明顯的。
  微波生物作用的非熱效應  微波作用還有一種不能用熱效解釋的現象,如長期從事微波器械的操作人員,持續受輻射影響,機體受照劑量不高,亦無明顯加溫反應,但仍然出現了一系列慢性的病理徵候群。如神經衰弱、記憶力減退、嗜眠、頭痛頭暈、脫髮、心動過緩、血壓降低和食慾減退等。有人把這種現象歸因於電場的非熱效應。一般認為這是由於人體反覆接受低強度輻射導致的長期累積效應。
  微波輻射在生物科學中的應用  在診斷方面利用微波的傳輸特性和介質吸收規律發展了一些非侵入性方法,用以探測心血管和呼吸容量變化及皮下組織成分和結構狀況。微波透熱療法治療的各種傷痛、炎症有數十種,療效好的和比較好的達70%以上。此外,還發展了用微波對冷凍全血加溫,對低溫心臟手術病人回暖和快速融化供移植使用的冷凍器官和組織的技術,以及用微波聚焦原理製成的「敷貼器」以破壞癌組織,使細胞喪失分裂和繁殖能力等。
  微波生物效應的測定方法  為了評價微波輻射的生物效應,需對輻射場和生物反應進行測定。這要求確立適宜參數作為效應的指標。有人提出用電場強度或功率密度作依據,也有人主張以組織內產熱或電流密度作為標準。一般認為以組織吸收的功率密度較為適宜,因為它與介質熱效應直接相關。通常用微波檢測計測試入射能量或輻射場功率密度。測量生物組織或模擬介質內產熱吸收功率時,多採用熱電偶或熱敏電阻製成的植入式感測探頭。80年代以來,利用自動溫度記錄儀配合熱象攝影裝置,能有效、精確地測量和記錄組織吸收功率密度及產熱分佈情況。
  微波輻射的防護與安全標準  微波設備在軍事、科研、工業、農業、醫療和家庭得到廣泛應用,而且都是大功率應用(200瓦~100千瓦),故而空間輻射本底顯著增高,環境污染和保護問題日益突出。60年代以來各先進工業國先後制訂了專門的微波安全防護法規和衛生標準(見表),有關產業部門和實驗室也訂有操作規程與技術安全措施。

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